Вероятность верного предсказания таких общих величин, определяемых статистическими законами, как мы видели даже на простых примерах, практически равна единице, а отклонения от нее — нулю[56].
После появления первых статистических законов они сначала считались «второстепенными», «неполноценными». Сейчас статистические законы заняли в науке, в частности в физике, равноправное (если не преобладающее) положение по отношению к динамическим. Они столь же надежно предсказывают поведение систем (естественно, если количество частиц, входящих в множество, достаточно велико), как и динамические.
Поэтому второй закон термодинамики, имеющий статистическую природу, столь же надежен и «непробиваем», как и первый.
Попытки обосновать ppm-2, ссылаясь на «неполноценность» второго закона из-за его статистической природы, абсолютно безнадежны.
Пользуясь понятием энтропии, мы можем четко определить, какие процессы в принципе допускаются вторым законом термодинамики и какие он не разрешает. Очевидно, что к первым относятся все те, где энтропия S неизменна или возрастает, а ко вторым — те, где она уменьшается.
Рис. 3.7. Возможные переходы систем из одного состояния в другое. Переход слева направо возможен во всех случаях, справа налево — только в первом (процесс обратим)Удобнее всего показать это графически (рис. 3.7). Слева условно в виде прямоугольников изображены исходные состояния (до проведения процесса), справа — конечные (после его завершения). Размеры каждого прямоугольника, показывающего состояние системы, соответствуют ее энергии; по закону сохранения энергии их площадь в конечном состоянии равна начальной. Чем меньше энтропия S системы, тем более эта система упорядочена. Линиями со стрелками на рисунке показано возможное направление протекания процессов; переход в обратном направлении невозможен.
Первый процесс — переход из одного полностью организованного состояния 7), соответствующего нулевой энтропии (обозначено штриховкой), в столь же упорядоченное состояние (2). Характерными примерами устройств с такими процессами могут служить механический редуктор, электрический трансформатор или двигатель. В предельном случае каждый из них может полностью преобразовать механическую работу или электроэнергию в работу или электроэнергию с другими, нужными характеристиками. Если же в системе будут потери (трение, тепловыделения от электронагрева), то переход системы в новое состояние будет сопровождаться некоторым возникновением энтропии (случай 2). Чем больше потери, тем больше будет ее значение (S'2 > S2 > S1 = 0).
Может быть и так, что система в исходном состоянии характеризуется некоторой энтропией S1, отличной от нуля (случай 3). Она может перейти как в состояние с такой же энтропией S2 = S1, сохранив исходный уровень неупорядоченности (идеальный процесс), так и в любое состояние с большей энтропией S'2 > S2 (реальный процесс).
Может быть и так (случай 4), что из одной системы образуются две (или из одного потока энергии два). Тогда полученная сумма энтропии должна либо быть равной исходной (идеальный процесс, S'2 + Sʺ2 = S1), либо превышать ее (реальный процесс, S'2 + Sʺ2 > S1). В этом последнем случае возможна, в частности, и ситуация, при которой один из конечных результатов процесса (часть системы или поток энергии) будет характеризоваться меньшей энтропией, чем исходное состояние. Но такое «облагораживание» (уменьшение беспорядка) в одной части неизбежно компенсируется равным или еще большим ростом энтропии в другой части. Здесь одна часть «выбивается в упорядоченные» за счет другой части, но в конечном результате общая энтропия опять вырастет.
Наконец, пятый случай. Здесь вначале либо имеются две системы с разной энтропией, либо подводятся два потока энергии: один в упорядоченной форме (S'1 = 0, работа), а другой — в неупорядоченной (Sʺ1 > 0, теплота). В результате получается система (или поток энергии) с общей энтропией S2, большей (в реальном процессе) или равной (в идеальном) энтропии Sʺ1.
Нетрудно видеть, что все технические устройства, созданные человеком, преобразуют энергию по одной из описанных схем (или их сочетаниям). О первой и второй мы уже говорили. Третья соответствует многочисленному классу процессов, в которых перерабатываются потоки разного уровня неупорядоченности без существенного участия безэнтропийных, упорядоченных потоков энергии (работы, электроэнергии). К ним относятся многие химико-технологические процессы и другие, в которых участвуют в основном потоки вещества и теплоты.
Примером четвертого случая может служить тепловая электростанция, вырабатывающая электроэнергию (S = 0) и отдающая непревращенную теплоту с большей энтропией в окружающую среду.
Наконец, пятому случаю соответствует тепловой насос. К системе подводится работа (S'1 = 0) и теплота из окружающей среды Sʺ1 > 0, а отводится теплота при более высокой температуре с энтропией S2 > Sʺ1. Все случаи преобразования энергии, в которых превращение по схемам 2-5 шло бы не слева направо, а справа налево, относятся к нереализуемым: они невозможны, поскольку энтропия уменьшается. Все вечные двигатели второго рода, которые мы будем рассматривать в дальнейшем, сводятся в конечном счете к одной из этих невозможностей.
Все сказанное в этой главе о принципе Карно, порядке и беспорядке, об энтропии и ее статистической трактовке показывает, что второй закон термодинамики, запрещающий ppm-2, нельзя опрокинуть доводом о том, что он «не всеобщий, поскольку статистический». Всюду, где действуют физические законы статистической природы (а все возможные, вернее, невозможные варианты ppm-2, как и вся техника, действуют именно в этих условиях), второй закон незыблем. Житейское правило (особенно хорошо известное женщинам), что беспорядок из порядка всегда возникает сам по себе, а наведение порядка всегда требует затраты работы, здесь оправдывается в полной мере.
Однако в запасе у идеологов ppm-2 есть еще три «мощных» довода против второго закона. Один из них связан с философско-космологическими проблемами — это опровержение теории «тепловой смерти Вселенной». Опровергая эту теорию, сторонники ppm-2 пытаются низвергнуть и второй закон. Другой довод — это существование жизни, которая, по их мнению, тоже опровергает второй закон.
Третий довод далеко не такой глобальный, как первые два: он относится к области техники. Сторонники ppm-2 считают, что уже существует техническое устройство, действие которого наглядно опровергает второй закон термодинамики. Это, как ни странно, — тепловой насос, о котором мы уже упоминали. Поэтому нельзя перейти к разбору конкретных образцов ppm-2 без того, чтобы не коснуться как первых двух, казалось бы, далеких от энергетики вопросов, так и третьего, прямо к ней относящегося, — о тепловом насосе.
Глава четвертая.
«ТЕПЛОВАЯ СМЕРТЬ ВСЕЛЕННОЙ», БИОЛОГИЯ, ТЕПЛОВОЙ НАСОС
Даже небольшая кучка людей может создать большую путаницу.
Б. Франклин
4.1. «Тепловая смерть Вселенной» и ppm-2
Первая часть второго закона термодинамики — положение о существовании энтропии и ее неизменности в обратимых процессах — не вызывает теперь ни у кого сомнений.
Иная ситуация сложилась с другой частью этого закона — положением о неизбежном возрастании энтропии в реальных, необратимых процессах. Дискуссия по поводу принципа возрастания энтропии и границах его применимости началась с того самого момента, когда Клаузиус его сформулировал. Дело в том, что он не ограничил область применения закона возрастания энтропии изолированными системами конечных размеров, а распространил его действие ни много, ни мало на всю Вселенную! Это неизбежно приводило к очень далеко идущим выводам.
Рис. 4.1. Рудольф КлаузиусКлаузиус писал об этом так: «Работа, могущая быть произведенной силами природы и содержащаяся в существующих движениях небесных тел, будет постепенно все больше и больше превращаться в теплоту[58]. Теплота, переходя постоянно от более теплого к более холодному телу и стремясь этим выравнивать существующие различия в температуре, будет постепенно получать все более и более равномерное распределение и наступит также известное равновесие между наличной в эфире лучистой теплотой и теплотой, находящейся в телах. И, наконец, в отношении своего молекулярного расположения тела приблизятся к не которому состоянию, в котором, что касается господствующей температуры, совокупное рассеяние будет возможно наибольшим». И далее: «Мы должны, следовательно, вывести заключение, что во всех явлениях природы совокупная величина энтропии всегда может лишь возрастать, а не уменьшаться, и мы получаем поэтому как краткое выражение всегда и всюду совершающегося процесса превращения следующее положение: энтропия Вселенной стремится к некоторому максимуму.
